双辊连铸技术现状

    双辊连铸技术能直接连铸出小于2.0mm的碳钢钢带，不需要进一步热轧或冷轧。现在美国的纽科公司正在对该技术进行工业规模生产试验。
    任何一项新技术的出现自然会引起一些问题。该技术是否需要?现有工艺流程中哪个部位需要使用该技术?经验表明双辊连铸技术是一种很经济的生产超薄连铸带钢(UCS)的方法。今后，厚板坯连铸机，薄板坯连铸机和双辊连铸机将共同存在并越来越专门化。这不仅使消费者获得更新更好的产品，而且会使钢厂获得满意的利润。
    CASTRIP工艺将钢水直接连铸成厚度在0.7?2.0mm之间的钢带。在许多情况下，UCS产品可以不经过热轧、酸洗和冷轧而被用户直接使用，还可以被镀锌，用铝和锌涂层，喷漆和成形。其强度等级为250MPa到600MPa以上。
    用户将可以买到价格和性能介于现在的热轧和冷轧产品之间的一种新产品。该工艺的主要特征是能耗低，污染物排放量小。
背景
    澳大利亚的BHP和日本的IHI在1988年就开始就双辊连铸带钢的工业化生产进行了合作开发。双辊连铸金属产品的概念并不是新出现的，早在1857年亨利贝塞麦就获得了此项专利，所以说许多冶金工作者对终形或近终形连铸方法已经进行了长期的探索。BHP和IHI在澳大利亚的Kembla港建造了一个能连铸5t，宽800mm钢卷的试验工厂，开始连铸的是奥氏体不锈钢。到1991年，连铸出了800mm宽的304不锈钢卷并在BHP的不锈钢设备上进行了轧制。对于连铸碳钢，初期试验表明是更困难的。1992年试验工厂成功连铸了一系列宽1300mm的低碳钢。
    1993年为了证明碳钢带钢连铸技术的可行性，BHP决定建一座实物大小的试验工厂。1995年初该厂进行了第一次连铸。之所以称该厂是实物大小，是由于它能将60t钢包的碳钢钢水连铸成最大30t的宽1345mm的带卷(该厂的设备能连铸的最大宽度是2000mm)。最初目标厚度是2.5mm。该厂老化的，低功率的EAF限制了炉容量，也限制了连续运行。
    1999年底此项目停止了运行，这期间将低碳钢连铸成各种成品的技术得到了很好的完善。该厂总计生产了35，000多吨，最好的时候能试着连铸29炉，每炉50t，厚度在1.9-2.0mm之间。连铸出的钢带被冷轧，金属涂层，喷漆和成形后，成为澳大利亚市场上的屋顶材料。其它的钢带被运到BHP在美国的子公司，在那儿被加工成桥面板。有些材料还被加工成各种规格的管材。使用的结果清楚地证明了CAS-TRIP工艺的技术可行性。但是由于没有足够的钢水进行多炉连浇，所以全面工业化生产的可行性还有待确定。
    1999年，BHP成立了一个小组专门研究BHP/IHI技术工业化最适合的途径。这个小组考察了这一领域的现状和发展前景，对众多可选择的方法进行了试验。最后建议通过引进第三个合作者，将CAS-TRIP技术用于全规模工业生产。
    寻找合作伙伴的工作很快在世界范围内展开，最终美国最大的钢厂纽科钢铁公司被认为是最理想的合作伙伴。纽科拥有很好的新技术执行能力，并且在扁平材生产领域具有大量经验。BHP，IHI和纽科协商后，在纽科总部北卡罗莱纳州的Charlotte组建了CastripLLC公司。这是一个有限责任公司，纽科占47.5％股份，BHP占47.5％，IHI占5％。Castrip LLC的目标就是将与CASTRIP工艺有关的技术和专利转变成生产力。现在纽科正在克劳夫兹维尔厂建造第一个真正意义上的带钢连铸工业生产线。当纽科CASTRIP厂运行时，将该技术从试验室转成工业生产累计花费了4亿多美元。
工艺概述
    CASTRIP工艺就是两个辊相对旋转，钢水在两辊组成的弯月面处就开始凝固，随着坯子从熔池向下运动，坯壳也不断长大。在辊的咬人点，两面的坯壳完全熔合在一起成为一条连续的钢带并从连铸机的下方出来。
    尽管概念相对简单，但要将这一技术用于工业生产是非常困难的。近年来已取得了一些技术进步，包括：（1）高速计算和工艺控制（2）先进的陶瓷制品和材料(包括铜合金)（3）?探测技术（4）物理现象的数学模型。
    除了这些进展，他们还开发了大量与双辊连铸工艺直接相关的一些关键领域的技术。这些进展和突破使CASTRIP技术有别于其它双辊连铸工艺。可以被分为5个主要领域。
   （1）钢水运输（2）初期凝固（3）侧封材料（4）铸辊变形（5）耐火材料。
    钢水运输：出于很多原因，将钢水运输到熔池这一过程是非常重要的。与传统的连铸过程不同，CASTRIP工艺的熔池很小。对于CASTRIP工艺，钢水进入熔池的质量流速与熔池体积的比率几乎比板坯连铸高10倍。因此CASTRIP工艺中的水口与传统连铸工艺中使用的水口完全不同，主要是能减少钢水进入熔池时产生的扰动，使钢水沿辊身有效分布。另外还需要钢水的传输系统能将钢水稳定，可重复的运输到弯月面处。弯月面上的任何搅动都会造成钢带缺陷。所以过程一定要稳定，全程控制，才能保证获得很好的表面质量。
    初期凝固：CASTRIP工艺中钢水的凝固过程与板坯连铸有很大的不同，这对坯壳的形成和生长也有很大的影响。CASTRIP技术中没有使用任何保护渣或润滑剂，结晶器(也就是轧辊)和坯壳保持相同的速度，也就是无结晶器振动。由于没有保护渣，所以辊的表面和凝固中的坯壳接触很好，在弯月面处开始凝固，延伸，从辊的咬入点出来。研究人员对坯壳形成，生长和钢和辊的表面热传导机理进行了大量研究。要想生产高质量的钢带，就要理解影响坯壳初期凝固和以后生长的各种因素，这是非常重要的。
    侧封材料：虽然凝固中的坯壳大部分表面是与辊的表面相接触的，但是熔池侧封的保护层也是一项很重要的技术。这是由于侧边和辊上有热损失，钢水很容易凝固。过早的凝固会导致侧边质量差．还可能引发一系列的事故导致连铸的停止。为选出合适的侧封材料，研究人员对很多材料进行了试验。
    辊子变形：凝固的钢水放出热量，辊子受热产生热应力使辊子发生变形。为了生产一定厚度的钢带，在设计辊子的时候一定要考虑这一不可避免的变形。有些文章已经证明了连铸辊上热通量和温度的变化情况，表示具有加工凸度的辊，中心部位的直径比两边直径小的辊能获得理想的钢带尺寸。
    耐火材料：熔池中钢水与水口处耐火材料的相互作用会造成钢带缺陷。熔池中的活性氧会与氧化铝石墨水口中的碳结合生成CO气泡。这些气泡使钢水表面搅动，在弯月面处造成钢带表面缺陷。通过采用合适的耐火材料，这一机理产生的缺陷已经被消除了。
纽科克劳夫兹维尔厂CASTRIP设备
    纽科CASTRIP设备是于2001年2月开始建造的，于2002年5月进行第一次热试。离其不到1公里远的EAF车间为其提供钢水。CASTRIP设备包括一台钢包冶金炉(LMF)用于连铸前调节钢水温度和化学成分。CASTRIP车间大约宽135m，长155m。从钢包回转台到卷取机总长度只有60m。而生产相同的热轧材，传统的板坯连铸机配加热炉和热带轧机，一般要长500到800m。
    钢包和中间包的规格是基于标准设计的。钢水是从中间包进入到位于水口上方的过渡漏斗中。连铸机启动时不用引锭杆。凝固的坯壳从连铸辊出来后，直接通过夹送辊，之后又通过热轧机。在这个过程中，要控制好大气气氛，防止钢带氧化，产生氧化铁皮。从热轧机到卷取机，这些设备都是按标准规格设计的。
    表1所示的是纽科CAS-TRIP设备的一般规格。值得注意的是连铸辊的直径为500mm。这比其它双辊连铸工程的直径要小很多，也是CAS-TRIP工艺的主要优点之一。辊小，造价低，运行费用也低，而且能生产薄的，高质量的钢带。纽科CASTRIP厂能生产厚度为1.0?2.0mm的钢带，单机架热轧机还能再减薄30％。拉速约80m/min，平均厚度为1.6mm，平均带宽为1211mm，年产量预计能达50万t。
    纽科最初连铸的是低碳钢，目前工业应用前景非常广泛。除此之外，它正计划在运行第一年内开始连铸铁素体不锈钢。最近的研究工作显示，根据纽科CASTRIP的连铸参数应能很好的连铸出409不锈钢。结合BHP以前的研究成果，他们认为仅CASTRIP一套设备就能很容易的连铸出碳钢，奥氏体和铁素体不锈钢。一般来讲，为连铸碳钢而设计和制造的双辊连铸机也将能连铸不锈钢，但反过来是不正确的。
目前厚板和薄板坯连铸的限制
    BHP工业化小组在1999年作了基础研究工作，认为选择CASTRIP工艺时要进行以下分析：
    1、现在世界扁平轧材厂的累积产能过剩，而局部地区产能不足。
    2、要生产传统的热轧低碳钢(厚度大于2.5mm)，在正常条件下，采用厚板坯和薄板坯连铸工艺是合理的，会获得好的经济收益。
    3、要生产超薄规格的热轧低碳钢(厚度小于2.Omm)，采用厚板坯和薄板坯连铸机加热连轧机在技术上是可行的，但成本很高。
    4、要生产最终厚度小于1.3mm的产品，不管是用厚板坯还是薄板坯连铸机生产，其成本已到了要进行酸洗和冷轧的程度，这是最实用的生产方法。
    5、扁平材的消耗量将继续以年平均2％的速度上升，而超薄规格热轧钢的需求量将以年平均6％的速度增长。
    6、超薄规格热轧钢的需求量与实用性有关，如果它量少而且成本高，那么潜在的需求不会转化成实际的需求。
    7、值得肯定的是，对钢厂环保和节能的要求会继续提高。
    8、工厂会有大量存货和半成品，这是由于生产系统复杂和用户需要不同规格的产品所致。
    9、如果钢厂不能获得满意的投资回报率，那将继续限制其资金利用率。
双辊连铸的工业推动力
    分析了以上情况后，很自然会引起以下问题：有没有一种可用的工艺在能突破目前技术的限制的同时又能给用户，生产者和投资者带来利润?答案就是双辊连铸工艺。该工艺具有以下特点：
    1、CASTRIP设备的单位产量是50万t/a。设备对地理环境的要求相对要小，很容易安装。同时，采用双辊连铸技术不可以增加净产能，但很可能替代效率差的板坯轧机/开坯轧机/炉卷轧机/行星式轧机/热带轧机/冷带轧机。
    2、CASTRIP工艺是现在先进的薄板坯/厚板坯连续轧制工艺的补充。由于降低了厚度，所以具有更高的效率和生产率。然而双辊连铸机轧出的厚度的上限仍然没有确定(试验成功的数据至少是3.5mm)，最经济的上限很可能是2.5mm。因此，热带轧机不能最经济生产的产品就是CASTRIP设备最有效的生产范围。
    3、纽科CASTRIP设备将生产厚度为0.7mm到2.0mm，宽度为1000mm-1500mm具有工业等级质量的UCS(尽管该设备能生产的最大宽度为2000mm)。钢带中氧化物含量将足够低，表面质量会很高，可用于多种用途，不需再进行酸洗和冷轧。
    4、从钢包到成品卷，CASTRIP工艺比传统工艺会降低能耗80％-90％，温室气体的排放量也会降低，如表2。
    5、双辊连铸和传统的连铸和轧制过程有很大不同。该工艺将具有单一化学成分的钢水直接连铸出了钢卷。这也会大幅度的减少存货和半成品的数量。
    6、安装CASTRIP设备能获得的收益是很有吸引力的，成本和价格水平都占优势。纽科的实践已经证明了这点。
                                表一 纽科CASTRIP设备参数

表2

总结
    世界上第一台工业规模的碳钢和不锈钢连铸机的建设已经完成了，预计其每年能产厚度小于2mm的热轧卷50万t。采用CASTRIP工艺有很多优点，包括较低的资金需求和运营成本，降低了能耗和排气量，产品更薄，价格更高，是一个更小的，更灵活的生产体系。而且由于CASTRIP工艺具有生产更薄（1.5mm或更小）产品的倾向，且表面质量高，所以CASTRIP产品在许多方面都能替代冷轧板，很可能会产生一个新的产品种类。但是，对大于2.5mm的热轧碳钢产品，传统的厚板和薄板坯连铸机配热带轧机，至少在近期，将仍是首选工艺。